超强台风“利奇马”(1909)强度变化与降水结构分析

李 瑞，高 帆，尹承美，胡 鹏，褚颖佳

(济南市气象局, 山东 济南 250102)

研究表明，海表温度(Sea Surface Temperature, SST)、海-气界面热通量以及环境垂直风切变(Environmental Vertical Wind Shear)是影响热带气旋(Tropical Cyclone, TC)强度变化的重要因素[1-6]。在SST与海-气界面热通量对TC强度影响的研究方面，Emanuel(1988)指出SST足够高且混合均匀的暖洋面为TC的生成以及加强提供所需的热通量[1]。Gao等(2016、2019)通过对比分析西北太平洋上快速增强的TC与非快速增强的TC发现，快速增强的TC比非快速增强的TC所经海域的SST更高，而更高SST的海域为快速增强的TC提供了更多的潜热和感热，相比于感热通量，潜热通量对TC强度变化的作用更大[2-3]。在环境垂直风切变对TC强度的影响研究方面，Gray(1967、1968)认为，环境垂直风切变影响TC强度变化的最主要的物理机制可解释为“通风流”效应，即环境垂直风切变较强时，积云对流释放的凝结潜热会迅速离开扰动区域上空并向四周平流，这时热量和水汽会被吹散，使得热量无法在TC上层集中，从而破坏了TC的暖心结构，TC发展和加强过程将会被阻碍[4-5]。王喜等(2011)统计研究发现，西北太平洋、北大西洋以及北印度洋上TC强度变化与环境垂直风切变密切相关，并且，环境垂直风切变对各海域TC强度变化影响的阈值不同[6]。此外，很多研究表明，TC移动，特别是环境垂直风切变会造成TC对流和降水的非对称分布[7-12]。在TC移动对其对流和降水分布影响的研究方面，Shapiro(1983)应用一个大气边界层模式研究了TC移动对边界层风场、摩擦和辐合在方位向上的非对称分布(距TC中心50 km半径范围)[7]。研究发现，TC移动造成其移动的前方大气边界层出现辐合，由此导致其移动的前方对流和降水加强。对于缓慢移动的TC(移动速度<5 m/s)，辐合运动在TC移动前方最为剧烈，而对于快速移动的TC(移动速度≥5 m/s)，辐合运动形成的位置顺时针转移，集中位于移动的右前方象限。Lonfat等(2004)基于1998—2000年TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星观测反演的降水资料对全球大洋上260个TC降水分布进行统计和合成分析发现，无论是缓慢移动还是快速移动的TC，强降水均出现在TC移动的前方象限内(距TC中心300 km半径范围)[8]。在环境垂直风切变对TC对流和降水分布的影响研究方面，Franklin等(1993)根据下投式探空仪和机载多普勒雷达资料研究了垂直风切变对风暴“Gloria”(1985)的对流分布, 发现“Gloria”(1985)内眼壁上的对流趋于集中在顺切变方向左侧[9]。Wingo等(2010)的观测研究发现，环境垂直风切变对TC降水非对称分布的影响几乎是同时的，并且，TC最强降水出现在顺切变方向及其左侧(距TC中心400 km半径范围)[10]。Frank等(1999、2001)通过数值模拟发现，受到环境垂直风切变的强迫作用，TC环流内强烈的上升运动和降水出现在顺切变方向及其左侧(距TC中心100 km半径范围)[11-12]。

图1显示的是2019年第9号热带气旋“利奇马”的移动路径及其所经洋面SST。由图1可见，2019年8月4日14:00(北京时，下同)“利奇马”在菲律宾以东的洋面上生成，此后它向北偏西方向移动，于10日01:45前后以超强台风级在浙江省温岭市城南镇登陆，登陆时中心附近最大风力16级(52 m/s)，中心最低气压为930 hPa。“利奇马”登陆后纵穿浙江、江苏两省并移入黄海，于11日20:50前后在山东省青岛市黄岛区沿海再次登陆，登陆时中心附近最大风力9级(23 m/s)，中心最低气压为980 hPa。之后“利奇马”继续向北移动，12日05:00前后移入莱州湾并在莱州湾回旋少动，13日08:00在莱州湾减弱为热带低压，13日14:00中央气象台对其停止编号。“利奇马”登陆后破坏力强，风雨影响范围广，给我国多地造成了严重灾害和经济损失。本研究一方面研究“利奇马”登陆前后环流形势、SST、海(陆)-气热通量以及环境垂直风切变对“利奇马”强度的影响，另一方面研究“利奇马”移动和环境垂直风切变对“利奇马”降水分布的影响，以期为台风强度和降水预测提供参考。

图1 超强台风“利奇马”移动路径及所经洋面SSTFig. 1 Moving track of super typhoon Lekima and average SST from 5 to 9 August 2019图中台风标记表示“利奇马”中心位置，下同。

1 数据与方法

1.1 数据来源

中央气象台台风网(http://typhoon.nmc.cn)提供了“利奇马”每6 h的中心位置和强度。美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)提供了FNL(Final Operational Global Analysis)全球再分析风场及位势高度场等资料，该资料时间分辨率为6 h，水平分辨率为1°×1°，垂直共34层等压面。NCEP提供了全球实时海表温度资料(RTG_SST),该资料为日平均SST，水平分辨率为0.083°×0.083°。地面降水率来自美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)提供的新一代GPM(Global Precipitation Measurement)IMERG (Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM)卫星遥感反演降水数据，该资料时间分辨率为30 min，水平分辨率为0.1°×0.1°。

海(陆)-气界面潜热和感热通量取自NCEP提供的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析数据，该资料时间分辨率1 h，水平分辨率0.5°×0.5°。海(陆)-气界面热通量为负值，表明大气给海洋(陆地)提供热量，即大气加热海洋(陆地)，反之，则表明海洋(陆地)加热大气。

1.2 研究方法

1.2.1 趋势研究方法 利用施能等(1995)提出的方法来计算任一时间序列的趋势系数，即对任一时间序列{xi}，其趋势系数rxt定义为[13]：

(1)

(2)

式(2)中：Ndof为有效样本数，N为总样本数，r1和r2为用来计算相关系数的两个时间序列各自滞后一个时次的自相关系数。

1.2.3 环境垂直风切变的计算 参照Paterson等(2005)、徐桂妹等(2014)的研究方法，从NCEP-FNL再分析风场资料中剔除TC本身的环流[15-16]。把剔除TC环流后的风场作为TC的环境风场。其研究方法简述如下: 首先，利用改进的Barnes方案(1964)[17]和低通滤波从NCEP-FNL等压面再分析风场中去除大尺度风场，剩余的风场则用来确定TC的涡度中心[从剩余的风场中计算相对涡度，北(南)半球最大(小)相对涡度所在位置即为TC的涡度中心]。其次，因TC的涡度场通常比外界环境场要大1～2个数量级，且与周围环境场有比较清楚的界限，因此，利用TC涡度反演得到的风场可以看做是TC的风场。最后，从剩余的风场中减去TC的风场后所得到的风场再加上大尺度风场即为TC的环境风场。

对于环境垂直风切变的计算，参照毋浩亮等(2018)的计算方法，以TC所在位置为中心，在10°×10°的正方形网格区域内，分别计算200 hPa和850 hPa两层上经向和纬向风场的风速平均值，进而求出这两层的区域平均风场矢量差，其大小为[18]：

(3)

式(3)中：Vvws表示环境垂直风切变的强度，u850和u200分别表示850 hPa和200 hPa等压面上的纬向风速平均值，v850和v200分别表示850 hPa和200 hPa等压面上的经向风速平均值。本研究采用Wingo等(2010)对环境垂直风切变强度等级的划分标准，将环境垂直风切变强度划分为三个等级：较弱(环境垂直风切变<5 m/s)、中等(环境垂直风切变在5～10 m/s之间)、较强(环境垂直风切变>10 m/s)[10]。

以TC中心为起点，沿环境垂直风切变方向称为顺切变方向，相反方向则称为逆切变方向。那么，顺切变方向与过TC中心的纬线的夹角为：

(4)

式(4)中：AS表示顺切变方向与过TC中心的纬线的夹角。

2 结果与讨论

2.1 天气形势分析

2019年8月8日20:00，“利奇马”中心位于台湾省以东的洋面上[图2(a)]。500 hPa 等压面上，“利奇马”北侧为西太平洋副热带高压(简称副高，下同)控制，此时，中纬度西风槽位于内蒙古自治区西部至甘肃省南部一带。受副高南侧东南风引导，“利奇马”沿西北方向移动。“利奇马”中心附近风场结构完整，500 hPa高度场中心与低层(700 hPa)风场辐合中心重合。700 hPa风场结构显示，“利奇马”中心区风速达55 m/s，并且，其环流东南侧的西南风低空急流(在日常天气分析中，将700 hPa或850 hPa等压面上风速超过12 m/s的强风速带定义为低空急流)和其环流东北侧的东南风低空急流十分旺盛，急流区普遍超过18 m/s，有利于将来自低纬度暖洋面上的水汽和热量输送到台风中。

10日02:00，“利奇马”刚登陆浙江省温岭市城南镇后不久[图2(b)]。此时，位于青藏地区的大陆高压加强东进，同时，副高西进北抬，中纬度西风槽缓慢东移至内蒙古自治区中部至陕西省北部一带。“利奇马”处于大陆高压和副高之间，只能向偏北方向移动。可以看到，500 hPa高度场中心与低层(700 hPa)风场中心仍然重合，700 hPa风场显示“利奇马”中心区风速达40 m/s。“利奇马”环流东北侧的东南风低空急流仍然超过18 m/s，然而，其环流东南侧的西南风低空急流在21°N以南减弱至18 m/s以下。在“利奇马”本体及其东侧偏南风低空急流作用下，浙江省东部地区出现强降水。

图2 500 hPa位势高度和700 hPa风场Fig. 2 500 hPa geopotential height and 700 hPa wind (a)2019年8月8日20:00；(b)2019年8月10日02:00；(c)2019年8月10日14:00；(d) 2019年8月11日08:00; 等值线为位势高度线，填色表示风速大于12 m/s区域，棕色曲线为槽线。

10日14:00，“利奇马”中心进入浙江省北部地区[图2(c)]。可以看到，随着青藏地区大陆高压和副高的进一步加强，中纬度西风槽东移南压至山西省至陕西省南部一带并有所加深，环流经向度明显加大，并且中纬度西风槽与“利奇马”逐渐靠近。在副高西侧偏南气流和西风槽前偏南气流的共同引导下，“利奇马”继续北上，移速加快。700 hPa上，西风槽后干冷空气从“利奇马”环流西侧侵入“利奇马”，同时，“利奇马”东北侧和东南侧的偏南风低空急流均明显减弱。“利奇马”眼区填塞效应加大，其中心区风速不足18 m/s，出现空心化特征。此时，“利奇马”倒槽由台风中心向北伸展至山东省中部地区。在“利奇马”本体及其倒槽以及低空急流作用下，浙江省北部地区、江苏省部分地区和山东省中部地区出现强降水。

11日08:00，“利奇马”中心北移至江苏省盐城市附近[图2(d)]。可以看到，中纬度西风槽在继续东移过程中发生断裂，其南段并入“利奇马”环流，冷空气进一步侵入台风本体。此时，500 hPa高度场中心较低层(700 hPa)风场辐合中心出现向西偏离，说明“利奇马”中层结构受到破坏。从700 hPa风场来看, “利奇马”东南侧的西南风低空急流在25°N以南减弱消失。“利奇马”眼区进一步填塞，台风中心区风速不足12 m/s，台风强度明显减弱，空心化特征明显。“利奇马”倒槽由台风中心向北伸展至辽宁省西部地区。在干冷空气、低空急流、“利奇马”本体及其倒槽作用下，江苏省北部地区、山东省中西部地区、河北省东部地区和辽宁省西部地区出现强降水。

由上述天气形势分析可知，在“利奇马”登陆温岭市城南镇前后及北上过程中，副高、“利奇马”及其倒槽、低空急流、大陆高压和西风槽等中低纬天气系统相互作用为“利奇马”北上、强度变化与结构演变以及强降雨的发生提供了有利的环境条件。

2.2 强度的变化

2.2.1 强度变化与环境垂直风切变的关系 图3显示的是在超强台风“利奇马”整个生命史(2019年8月4日14:00至13日08:00，下同)过程中，其中心最低气压和环境垂直风切变随时间的演变。可以看到，2019年8月4日14:00至9日02:00，垂直风切变呈显著减弱的趋势[垂直风切变的趋势系数为-0.783(p<0.001)]，自7日14:00垂直风切变便减弱到10 m/s以下，至8日14:00甚至减弱到5 m/s以下。不断减弱的垂直风切变有利于“利奇马”强度的增强和维持，在此期间，“利奇马”强度显著增强[中心最低气压趋势系数为-0.942(p<0.001)]，其由热带低压逐渐增强为超强台风，并在9日02:00达到整个生命史中最大强度[中心最低气压915 hPa，中心附近最大风力17级以上(62 m/s)]。8月9日08:00至13日08:00，垂直风切变呈显著增强的趋势[垂直风切变趋势系数为0.825(p<0.001)]，其中，垂直风切变自11日14:00便增强到10 m/s以上。不断增强的垂直风切变对“利奇马”强度的发展和维持起到了抑制作用，在此期间，“利奇马”强度显著减弱[中心最低气压趋势系数为0.810(p<0.001)]，其由超强台风逐渐减弱到热带低压。

图3 超强台风“利奇马”中心最低气压和环境垂直风切变的时间序列Fig. 3 Time series of minimum central pressure of super typhoon Lekima and environmental vertical wind shear

通过计算得到，在“利奇马”整个生命史过程中，其中心最低气压和垂直风切变两组时间序列同时刻的相关系数为0.794(时间序列总样本数N为36，有效样本数Ndof为4.782，t为2.178，未通过0.10的显著性水平检验)，中心最低气压滞后垂直风切变6 h的相关系数为0.721(时间序列总样本数N为35，有效样本数Ndof为4.677，t为1.702，未通过0.10的显著性水平检验)。说明在“利奇马”整个生命史过程中，虽然垂直风切变对其强度变化表现出一定的抑制作用，但是，垂直风切变对其强度变化的影响不显著。

2.2.2 强度变化与SST、海-气界面热通量及环境垂直风切变的关系 图4显示的是从“利奇马”初生到其第一次登陆前即2019年8月4日14:00至9日20:00，距“利奇马”中心500 km半径范围内，SST平均值以及海-气界面潜热(感热)通量平均值随时间的演变。考虑到从“利奇马”初生到其第一次登陆前，其环流内海-气界面感热通量平均值至少小于潜热通量平均值1～2个数量级(图4)，因此，为了简化研究工作，本节将研究SST、海-气潜热通量和环境垂直风切变共同对“利奇马”强度变化的影响。首先，从SST平均值的演变来看，SST平均值主要经历了三个阶段：4日14:00至6日02:00，SST平均值在30.1～30.4 ℃之间，即处于研究时段相对较高阶段；6日08:00至9日02:00，SST平均值在29.6～29.7 ℃之间，即处于研究时段相对中等阶段；9日08:00至20:00，SST平均值在29.1～29.3 ℃之间，即处于研究时段相对较低阶段。从图4可以看到，4日14:00至7日08:00，虽然“利奇马”处于较强的垂直风切变环境中(垂直风切变除6日20:00为8.11 m/s外，其他时次均在10 m/s以上，图3)，但是，“利奇马”强度并没有减弱而是显著增强[中心最低气压趋势系数为-0.966(p<0.001)]，这主要是因为相对较高和中等SST的海域为其提供的潜热显著增加[海-气界面潜热通量平均值的趋势系数为0.897(p<0.001)]。7日14:00至9日02:00，一方面垂直风切变由中等强度逐渐减弱至较弱，另一方面中等SST的海域为“利奇马”提供的潜热继续增加并达到最大值，以上两个方面均有利于“利奇马”强度不断加强。9日08:00至20:00，虽然“利奇马”处于较弱的垂直风切变环境中(垂直风切变在3.12～6.18 m/s之间，图3)，但是“利奇马”强度并没有增强而是逐渐减弱，这主要是因为相对较低SST的海域为其提供的潜热不断减少。由此可知，从“利奇马”初生到其第一次登陆前，相比于环境垂直风切变，SST，特别是海-气界面潜热通量对“利奇马”强度的影响更为重要。石顺吉等(2009)研究了环境垂直风切变和SST对0709号超强台风“圣帕”强度变化的影响，指出“圣帕”强度的变化和垂直风切变之间没有直接相关性，SST是影响其强度变化的主要环境因素[19]。

图4 距“利奇马”中心500 km半径范围内海-气界面潜热(感热)通量平均值和SST平均值随时间演变Fig. 4 Time series of mean SST and mean air-sea latent (sensible) heat flux within a 500-km radius of the Lekima’s circulation

2.2.3 “利奇马”强度变化与海(陆)-气界面热通量的关系 首先选取2019年8月6日08:00与11日02:00这两个时次来研究“利奇马”位于海盆时及登陆后，距其中心500 km半径范围内海(陆)-气界面热通量的空间分布特征(图5)。从图5可见，“利奇马”位于海盆时及登陆后，其环流内海(陆)-气界面潜热和感热通量分布不均。2019年8月6日08:00[图5(a)、(b)]，潜热和感热通量的大值区均位于“利奇马”环流南侧，而小值区均位于其眼区和环流北侧，由此表明“利奇马”位于海盆时,在其环流南侧，海洋对“利奇马”的潜热和感热加热要比眼区和北侧强烈得多。值得注意的是,感热通量在其环流北侧出现负值。此外，通过计算得到“利奇马”环流内海-气界面潜热通量和感热通量平均值分别为304 w/m2与15 w/m2。吴迪生等(2009)利用浮标数据计算了南海活动的台风海-气界面的热量交换，指出TC环流内海-气界面热量交换强烈，其主要贡献来自于潜热通量，并且在夏季TC环流内海-气界面感热通量会出现负值[20]。但是，受限于浮标数量和布设，吴迪生等的研究结果不能得到TC环流内海-气界面热通量的详细的空间分布[20]。8月11日02:00，“利奇马”中心位于江苏省无锡市附近，此时对于潜热通量而言[图5(c)]，虽然陆地和海洋均对“利奇马”有潜热加热作用，但是海洋对“利奇马”的潜热加热比陆地强烈得多；对于感热通量而言[图5(d)]，总的来看，虽然陆地和海洋均从“利奇马”获得感热，但是相比较于海洋，陆地从“利奇马”获得的感热要多得多。此时，“利奇马”环流内海(陆)-气界面潜热通量平均值为100 w/m2；感热通量平均值为-33 w/m2。

图5 距“利奇马”中心500 km半径范围内海(陆)-气界面潜热和感热通量的空间分布Fig. 5 Distribution of air-sea (land surface-atmosphere) latent heat flux and sensible heat flux within a 500-km radius of the Lekima’s circulation(a)、(b) 2019年8月6日08:00；(c)、(d) 2019年8月11日02:00。

图6显示的是在“利奇马”整个生命史过程中，“利奇马”中心最低气压以及距其中心500 km半径范围内海(陆)-气界面热通量平均值随时间的演变。可以看出，在“利奇马”整个生命史过程中，“利奇马”强度变化与其环流内海(陆)-气界面热通量平均值之间有很好的对应关系。2019年8月4日14:00至9日02:00，从潜热通量来看，“利奇马”所经海域不仅给其提供了大量潜热(潜热通量平均值在254～338 w/m2之间)，而且所提供的潜热呈显著增加的趋势[潜热通量平均值的趋势系数为0.518(p<0.05)]；从感热通量来看，感热通量平均值除8日14:00与9日02:00分别为0 w/m2与-4 w/m2外，其他时次在3～15 w/m2之间，说明在绝大多数时次，“利奇马”获得感热。另外，感热通量平均值比同时次潜热通量平均值小1～2个数量级，表明相比于潜热通量，感热通量对“利奇马”强度的影响甚微。在此期间，“利奇马”从SST为29.6～30.4 ℃(图4)的海域获得感热和大量潜热，其强度呈显著增强的趋势，并且在9日02:00达到整个生命史中最大强度。9日08:00至13日08:00，随着“利奇马”逐渐靠近陆地并登陆，一方面海洋(陆地)向“利奇马”提供的潜热呈显著减小的趋势[潜热通量平均值的趋势系数为-0.640(p<0.01)，潜热通量平均值在57～241 w/m2之间]，另一方面“利奇马”失去感热(绝大多数时次感热通量平均值在-44～-10 w/m2之间，并且在大多数时次，感热通量平均值大小相当于同时次潜热通量平均值大小的20.5%～46.5%，说明与潜热通量相比，感热通量对“利奇马”强度的影响不可忽略)，由此造成“利奇马”强度呈显著减小的趋势。

图6 距“利奇马”中心500 km半径范围内海(陆)-气界面潜热(感热)通量平均值以及“利奇马”中心最低气压随时间演变Fig. 6 Time series of super typhoon Lekima’s minimum central pressure and mean air-sea (land surface-atmosphere) latent (sensible) heat flux within a 500-km radius of the Lekima’s circulation

综合上述分析，2019年8月4日14:00至9日02:00，显著减弱的垂直风切变、SST为29.6～30.4 ℃的海域为“利奇马”提供的感热和大量潜热、以及“利奇马”环流东侧极为强盛的偏南风低空急流向其输送充足的水汽和能量，使“利奇马”强度呈显著增强的趋势。9日08:00至13日08:00，随着“利奇马”逐渐靠近陆地并登陆，显著增强的垂直风切变、“利奇马”从海洋(陆地)获得的潜热显著减小并且同时失去感热、“利奇马”环流东侧偏南风低空急流的显著减弱、对流层中低层干冷空气侵入“利奇马”环流以及“利奇马”登陆后受到陆面摩擦，使“利奇马”强度显著减弱。

2.3 降水分布与移动、垂直风切变的关系

Chen等(2006)认为，当TC在大洋上时，影响其降水非对称分布(距TC中心300 km半径范围)最主要的两个因素是环境垂直风切变和TC移动[21]。他们发现，当垂直风切变为中等强度以上时(≥5 m/s)，垂直风切变对TC降水非对称分布起决定性作用，强降水位于顺垂直风切变方向及其左侧，尤其是对于内雨带(距TC中心100 km半径范围，下同)上的降水分布。当垂直风切变较弱时(<5 m/s)，TC移动速度和方向对降水的非对称分布也有重要影响，外雨带(距TC中心100～300 km半径范围，下同)上的降水主要集中在TC移动的前部，但是内雨带上的降水仍然是集中在顺切变方向及其左侧。杨璐等(2017)研究了TC移动和环境垂直风切变对西北太平洋上TC对流非对称分布的影响，得出类似的结论[22]。基于前人的研究[7-8,21-22]，我们将研究“利奇马”移动和环境垂直风切变对“利奇马”内、外雨带上降水分布的影响。采用Lonfat等(2004)以及杨璐等(2017)对TC移动速度的划分方法，将TC移动划分为缓慢移动(移动速度<5 m/s，下同)与快速移动(移动速度≥5 m/s，下同)[8,22]。图7为在“利奇马”整个生命史过程中，其移动速度和方位以及环境垂直风切变随时间的演变。从图7可以看出，在“利奇马”整个生命史过程中，其在绝大多数时次处于中等强度和较强强度切变环境中，仅8日14:00至9日02:00以及9日14:00至20:00处于较弱的切变环境中。“利奇马”在登陆浙江省温岭市城南镇之前，一直缓慢向西北方向移动，登陆城南镇后向偏北方向移动并且移速加快 (10日14:00至11日14:00移速>5 m/s)，12日05:00进入莱州湾后回旋少动，12日14:00转向东北方向缓慢移动直至消亡。

图7 超强台风“利奇马”移动速度和方位以及环境垂直风切变随时间演变Fig. 7 Time series of motion speed, and direction of super typhoon Lekima and environmental vertical wind shear

图8为由新一代GPM IMERG卫星遥感反演降水数据得到的“利奇马”各时次30 min平均降水率。从图8可以看出， “利奇马”第一次登陆前，当其处于中等强度以上的切变环境中，并且移动缓慢时[图8(a)]，无论在其内雨带还是外雨带，其移动速度和方向对降水分布的影响微乎其微，而垂直风切变对降水分布起决定性作用，强降水位于顺垂直风切变方向及其左侧。当“利奇马”处于较弱的切变环境中，移动快速[图8(b)]或缓慢[图8(c)]时，在内雨带，在其移动前方、顺垂直风切变方向及其左侧均出现了强降水即降水分布由其移动和垂直风切变共同决定，而在外雨带，垂直风切变对降水分布起主要作用，强降水出现在顺垂直风切变方向。“利奇马”第一次登陆后，处于中等强度以上的切变环境中，并且移动快速[图8(d)]，这时，无论在内雨带还是外雨带，垂直风切变对降水分布起决定性作用，强降水位于顺垂直风切变方向及其左侧。值得注意的是，“利奇马”第一次登陆后，其移动方向与垂直风切变方向的夹角除10日09时为55.8°外，其他时次均小于45°，虽然“利奇马”移动速度和方向决定不了降水分布，但其快速移动增加了降水的非对称分布。Chen等和杨璐等通过研究发现，当垂直风切变方向和TC移动方向为同一方向时，TC降水和对流分布的非对称性达到最大[21-22]。

图8 超强台风“利奇马”30 min平均降水率Fig. 8 Means of 30-min rainfall rate of super typhoon Lekima(a)2019年8月6日08:00，垂直风切变强度为15.45 m/s，“利奇马”移动速度为2.22 m/s；(b)2019年8月9日02:00，垂直风切变强度为4.65 m/s，“利奇马”移动速度为6.11 m/s；(c)2019年8月9日14:00，垂直风切变强度为3.27 m/s，“利奇马”移动速度为4.17 m/s；(d)2019年8月11日08:00，垂直风切变强度为9.77 m/s，“利奇马”移动速度为8.33 m/s； 图中红色箭头和黑色箭头分别表示各整点时次“利奇马”移动方向和顺环境垂直风切变方向；箭头起点为各整点时次“利奇马”中心所在位置。

通过对环境垂直风切变和“利奇马”移动对“利奇马”内、外雨带降水分布影响的观测研究可以得出，总的来看，与“利奇马”移动速度和方向相比，环境垂直风切变对“利奇马”内、外雨带上降水非对称分布的影响要重要得多。Pei等(2018)利用1998—2013年TRMM卫星观测反演的降水资料，研究了环境垂直风切变和全球大洋上TC移动对TC降水非对称分布的影响，指出距TC中心200 km半径范围内，相比于TC移动速度和方向，环境垂直风切变对TC降水非对称分布的影响尤其是一波非对称分布的影响要强得多[23]。当垂直风切变在中等强度以上时，垂直风切变和“利奇马”移动对其内、外雨带降水分布的影响与Chen等[21]的统计研究结果相一致，而当垂直风切变较弱时，本研究结果与Chen等的统计研究结果存在差异。这可能是因为本研究是个例研究，而Chen等的研究基于大量TC个例的合成和统计分析。

根据“利奇马”处于较弱(中等强度以上)的切变环境中，并且同时其移动缓慢(快速)共4种情况，选取图8中的4个时次，分别沿顺(逆)垂直风切变方向做垂直速度以及沿“利奇马”移动方向做散度和垂直速度的垂直剖面，以此诊断分析垂直风切变和“利奇马”移动对其内、外雨带降水的动力作用。从沿顺(逆)垂直风切变方向垂直速度的垂直剖面可以看出，无论“利奇马”处于较弱的切变环境中[图9(b)、(c)]，还是处于中等强度以上的切变环境中[图9(a)、(d)]，在“利奇马”内雨带和外雨带上，垂直上升运动在顺垂直风切变方向和逆垂直风切变方向上的分布截然不同，从900 hPa至200 hPa，强烈的上升运动主要发生在顺垂直风切变方向一侧，而在逆垂直风切变方向，上升运动很弱。从沿“利奇马”移动方向散度和垂直速度的垂直剖面(图略)可以看出，无论“利奇马”缓慢移动，还是快速移动，由其移动引起的边界层辐合主要位于其内雨带，并且伴随边界层辐合的发生，强的上升运动出现在850 hPa附近。Shapiro通过数值模拟也发现，由TC移动引起的边界层辐合会导致TC边界层顶部出现上升运动[7]。值得注意的是，2019年8月9日14:00与8月11日08:00，在沿“利奇马”移动方向的外雨带上，在700 hPa与300 hPa附近分别出现了较强的上升运动，这主要是因为在这两个时刻，“利奇马”移动方向与顺垂直风切变方向的夹角较小，垂直风切变的动力作用所致。总的来看，与“利奇马”移动速度和方向相比，垂直风切变对“利奇马”内、外雨带上降水的动力作用要明显强得多。Corbosiero 等(2003)利用美国国家闪电探测网观测的闪电资料研究了TC移动和垂直风切变对35个大西洋TC对流分布的影响，指出相比于垂直风切变，TC移动对TC对流非对称分布的影响甚微[24]。虽然TC移动可以造成TC边界层顶部出现上升运动，但是，如果垂直风切变对上述上升运动有抵消作用，那么TC移动根本不会引起深对流的发生。相反地，垂直风切变则不受TC移动的影响和限制，在垂直风切变的作用下，深对流出现在顺垂直风切变一侧。

图9 沿顺(逆)垂直风切变方向垂直速度的垂直剖面Fig. 9 Vertical cross sections of vertical velocity along downshear direction(a)2019年8月6日08:00；(b)2019年8月9日02:00；(c)2019年8月9日14:00；(d)2019年8月11日08:00; 图中横坐标轴上黑色实心圆表示距台风中心100 km处；黑色箭头表示顺环境垂直风切变方向。

3 结论

(1)在“利奇马”登陆温岭市城南镇前后及北上过程中，副高、“利奇马”及其倒槽、低空急流、大陆高压和西风槽等中低纬天气系统相互作用为“利奇马”北上、强度变化与结构演变以及强降雨的发生提供了有利的环境条件。

(2)2019年8月4日14:00至9日02:00，显著减弱的垂直风切变、SST为29.6～30.4℃的海域为“利奇马”提供的感热和大量潜热以及“利奇马”环流东侧极为强盛的偏南风低空急流向其输送充足的水汽和能量，使“利奇马”强度呈显著增强的趋势。9日08:00至13日08:00，随着“利奇马”逐渐靠近陆地并登陆，显著增强的垂直风切变、“利奇马”从海洋(陆地)获得的潜热显著减小并且同时失去感热、“利奇马”环流东侧偏南风低空急流的显著减弱、对流层中低层干冷空气侵入“利奇马”环流以及“利奇马”登陆后受到陆面摩擦，使“利奇马”强度显著减弱。在“利奇马”整个生命史过程中，垂直风切变对其强度变化表现出一定的抑制作用，但是，垂直风切变对其强度变化的影响不显著。从“利奇马”初生到其第一次登陆前(2019年8月4日14:00至9日20:00)，相比于环境垂直风切变，SST特别是海-气界面潜热通量对“利奇马”强度的影响更为重要。

(3)当“利奇马”处于中等强度以上的切变环境中时，无论其缓慢移动还是快速移动，垂直风切变对其内、外雨带的降水分布起决定性作用，“利奇马”内、外雨带上的强降水均位于顺垂直风切变方向及其左侧。当“利奇马”处于较弱的切变环境中时，无论其缓慢移动还是快速移动，内雨带上的降水分布由垂直风切变和“利奇马”移动共同决定，强降水分别出现在顺垂直风切变方向及其左侧以及移动的前方，而外雨带上的降水分布由垂直风切变起主导作用，强降水位于顺垂直风切变方向。总的来说，与“利奇马”移动速度和方向相比，环境垂直风切变对“利奇马”内、外雨带上降水非对称分布的影响要重要得多。

(4)无论“利奇马”处于较弱的切变环境中，还是处于中等强度以上的切变环境中，在“利奇马”内雨带和外雨带上，从900 hPa至200 hPa，强烈的上升运动主要发生在顺垂直风切变方向一侧，而在逆垂直风切变方向，上升运动很弱。由“利奇马”移动引起的边界层辐合主要位于其内雨带，并且伴随边界层辐合的发生，强的上升运动出现在850 hPa附近。总的来看，与“利奇马”移动速度和方向相比，环境垂直风切变对“利奇马”内、外雨带上降水的动力作用要明显强得多。